計算機組成原理課后作業(yè)1~8章

1、第1章 計算機系統(tǒng)概論2022年6月1日星期三24. 馮諾依曼型計算機的主要設計思想是什馮諾依曼型計算機的主要設計思想是什么？它包括哪些主要組成部分？么？它包括哪些主要組成部分？l馮諾依曼計算機的主要設計思想馮諾依曼計算機的主要設計思想存儲程序并按地址順序執(zhí)行存儲程序并按地址順序執(zhí)行l(wèi)馮諾依曼計算機主要包括馮諾依曼計算機主要包括存儲器、運算器、控制器、輸入和輸出五部分組成存儲器、運算器、控制器、輸入和輸出五部分組成2022年6月1日星期三35. 什么是存儲容量？什么是單元地址？什么是存儲容量？什么是單元地址？什么是數(shù)據(jù)字？什么是指令字？什么是數(shù)據(jù)字？什么是指令字？l存儲容量存儲容量存儲器所能保

2、存二進制數(shù)據(jù)的總數(shù)存儲器所能保存二進制數(shù)據(jù)的總數(shù);常用單位為常用單位為KB、MB等。等。l單元地址單元地址用于識別存儲器中每個存儲單元的編號，即單元地址。用于識別存儲器中每個存儲單元的編號，即單元地址。l數(shù)據(jù)字數(shù)據(jù)字表示計算機所要處理數(shù)據(jù)的計算機字，稱為數(shù)據(jù)字。表示計算機所要處理數(shù)據(jù)的計算機字，稱為數(shù)據(jù)字。l指令字指令字表示一條指令的計算機字，稱為指令字。表示一條指令的計算機字，稱為指令字。2022年6月1日星期三46. 什么是指令？什么是程序？什么是指令？什么是程序？l指令指令由操作碼和操作數(shù)兩部分構成由操作碼和操作數(shù)兩部分構成能夠表示計算機中的一個基本操作的代碼或二能夠表示計算機中的一個基

3、本操作的代碼或二進制串。進制串。l程序程序用于求解某一問題的一串指令序列，稱為該問用于求解某一問題的一串指令序列，稱為該問題的計算程序，簡稱為程序。題的計算程序，簡稱為程序。2022年6月1日星期三57. 指令和數(shù)據(jù)均存放在內存中，計算機如指令和數(shù)據(jù)均存放在內存中，計算機如何區(qū)分它們是指令還是數(shù)據(jù)？何區(qū)分它們是指令還是數(shù)據(jù)？l計算機對指令和數(shù)據(jù)的區(qū)分是依靠計算機對指令和數(shù)據(jù)的區(qū)分是依靠指令的執(zhí)行階段指令的執(zhí)行階段來決定的；來決定的；在取指階段，從存儲器中讀取的均是在取指階段，從存儲器中讀取的均是CPU要執(zhí)要執(zhí)行的指令；行的指令；在執(zhí)行階段，從存儲器中讀取的一定是指令執(zhí)在執(zhí)行階段，從存儲器中讀取

4、的一定是指令執(zhí)行所需要的操作數(shù)；行所需要的操作數(shù)；2022年6月1日星期三68. 什么是內存？什么是外存？什么是什么是內存？什么是外存？什么是CPU？什么是適配器？簡述其功能。什么是適配器？簡述其功能。l內存：內存：用于存放系統(tǒng)當前運行所需要的程序和數(shù)據(jù)的半導體存用于存放系統(tǒng)當前運行所需要的程序和數(shù)據(jù)的半導體存儲器，稱為內存儲器，簡稱內存；儲器，稱為內存儲器，簡稱內存；l外存外存用于存放程序和數(shù)據(jù)，但不能被用于存放程序和數(shù)據(jù)，但不能被CPU直接訪問的大容量直接訪問的大容量存儲器，稱為外存儲器，簡稱為外存；存儲器，稱為外存儲器，簡稱為外存；外存一般包括磁盤存儲器和光盤存儲器。外存一般包括磁盤存儲

5、器和光盤存儲器。lCPU運算器和控制器合稱為中央處理器，簡稱運算器和控制器合稱為中央處理器，簡稱CPU。l適配器適配器主機和不同速度的外設之間的一種部件，用于主機和外主機和不同速度的外設之間的一種部件，用于主機和外設之間的信息轉換。設之間的信息轉換。第2章 運算方法和運算器2022年6月1日星期三81. 用用8位編碼表示下列各整數(shù)的原碼、反碼、位編碼表示下列各整數(shù)的原碼、反碼、補碼。補碼。真值真值原碼原碼反碼反碼補碼補碼-35- 010 00111010 00111101 11001101 1101127+111 11110111 11110111 11110111 1111-127-111

6、11111111 11111000 00001000 0001-1-000 00011000 00011111 11101111 11112022年6月1日星期三9l若若a7 0，則，則X為正數(shù)，顯然為正數(shù)，顯然a0 a6取任何值均可。取任何值均可。l若若a7 1，則，則X為負數(shù)，為負數(shù)，X移移0. a6 a5 a0 0.5D = 0.100000B，則，則0.5D 移移0.100000 若要若要X0.5，即等價于，即等價于X移移 0.5D 移移 即即0. a6 a5 a00.100000，因此必須是，因此必須是a5 a0不全為不全為0。l 結論：結論：如果如果a7 0， a6 a0取任何值均

7、可；取任何值均可；如果如果a7 1 ，必須滿足，必須滿足a6 =1 且且a5 a0不全為不全為0。 2. 設設X補補a7.a6 a5 a0 ，其中，其中ai 取取0或或1， 若要若要X-0.5，求，求a0 a1 a2 a7 的取值。的取值。2022年6月1日星期三103. 有一個字長為有一個字長為32位的浮點數(shù)，符號位位的浮點數(shù)，符號位1位；階碼位；階碼8位，用移碼位，用移碼表示；尾數(shù)表示；尾數(shù)23位，用補碼表示；基數(shù)為位，用補碼表示；基數(shù)為2。請寫出：。請寫出：(1)最大最大數(shù)的二進制表示，數(shù)的二進制表示，(2)最小數(shù)的二進制表示，最小數(shù)的二進制表示，(3)規(guī)格化數(shù)規(guī)格化數(shù)所能所能表示的數(shù)的

8、范圍。表示的數(shù)的范圍。l設移碼采用移設移碼采用移128碼，且機器數(shù)格式如右：碼，且機器數(shù)格式如右：最大值（最大正數(shù)）最大值（最大正數(shù)）0 1111 1111 111 1111 1111 1111 1111 1111即即 x = (1-2-23) * 2127 二進制表示：二進制表示： x = (1-0.0000 0000 0000 0000 0000 001) * 2111 1111 最小值（最小負數(shù)）最小值（最小負數(shù)）1 1111 1111 000 0000 0000 0000 0000 0000 即即 x = 1 * 2127二進制表示：二進制表示： x = -1* 2111 1111 符

9、號位符號位S(1S(1位位) ) 階碼階碼E(8E(8位位) )尾數(shù)尾數(shù)M(23M(23位位) )2022年6月1日星期三113. 有一個字長為有一個字長為32位的浮點數(shù)，符號位位的浮點數(shù)，符號位1位；階碼位；階碼8位，用移碼表位，用移碼表示；尾數(shù)示；尾數(shù)23位，用補碼表示；基數(shù)為位，用補碼表示；基數(shù)為2。請寫出：。請寫出：(1)最大數(shù)的最大數(shù)的二進制表示，二進制表示，(2)最小數(shù)的二進制表示，最小數(shù)的二進制表示，(3)規(guī)格化數(shù)規(guī)格化數(shù)所能表示的所能表示的數(shù)的范圍。數(shù)的范圍。l 設移碼采用移設移碼采用移128碼，且機器數(shù)格式如右：碼，且機器數(shù)格式如右：規(guī)格化數(shù)表示范圍規(guī)格化數(shù)表示范圍最大正數(shù)：

10、最大正數(shù)： 0 1111 1111 111 1111 1111 1111 1111 1111 即即 x = (1-2-23) * 2127最小正數(shù)：最小正數(shù)： 0 0000 0000 100 0000 0000 0000 0000 0000 即即 x = 2-1 * 2-128最大負數(shù)：最大負數(shù)： 1 0000 0000 011 1111 1111 1111 1111 1111 即即 x = -(2-1+2-23) * 2-128最小負數(shù)：最小負數(shù)： 1 1111 1111 000 0000 0000 0000 0000 0000 即即 x = 1 * 2127l 規(guī)格化的正數(shù)范圍規(guī)格化的正數(shù)

11、范圍2-129 (1-2-23) * 2127 負數(shù)范圍負數(shù)范圍2127 (2-1+2-23) * 2-128符號位符號位S(1S(1位位) ) 階碼階碼E(8E(8位位) ) 尾數(shù)尾數(shù)M(23M(23位位) )2022年6月1日星期三124、將下列十進制數(shù)表示成、將下列十進制數(shù)表示成IEEE754標準的標準的32位浮點規(guī)格化數(shù)。位浮點規(guī)格化數(shù)。l 27/6427/64 = 0.011011B = 1.1011 * 2-2e=2，則，則Ee127125 規(guī)格化數(shù)規(guī)格化數(shù)l27/64 27/64 =0.011011B =1.1011 * 2-2 規(guī)格化數(shù)規(guī)格化數(shù)符號位符號位階碼階碼(8)(8)尾

12、數(shù)尾數(shù)(23)(23)0 00111 11010111 1101 1011 0000 0000 0000 0000 0001011 0000 0000 0000 0000 000符號位符號位階碼階碼(8)(8)尾數(shù)尾數(shù)(23)(23)1 10111 11010111 11011011 0000 0000 0000 0000 0001011 0000 0000 0000 0000 0002022年6月1日星期三13 y補補 00.000115、已知、已知x和和y，用變形補碼計算，用變形補碼計算xy，同，同時指出結果是否溢出。時指出結果是否溢出。x=0.11011 y=0.00011 x補補00.

13、11011 ，y補補00.00011 x+y補補00.11110，未溢出，未溢出 x+y = +0.11110 x補補 00.1101100.111102022年6月1日星期三14x=0.11011 y=0.10101 x補補00.11011 ，y補補11.01011x+y補補 00.00110 ，未溢出，未溢出 x+y = +0.00110 y補補 11.010115、已知、已知x和和y，用變形補碼計算，用變形補碼計算xy，同，同時指出結果是否溢出。時指出結果是否溢出。x補補 00.1101100.001102022年6月1日星期三15x=0.10110 y=0.00001 x補補11.01

14、010 ，y補補11.11111x+y補補 11.01001 ，未溢出，未溢出 x+y = - 0.10111 y補補 11.111115、已知、已知x和和y，用變形補碼計算，用變形補碼計算xy，同，同時指出結果是否溢出。時指出結果是否溢出。x補補 11.0101011.010012022年6月1日星期三166、已知、已知x和和y，用變形補碼計算，用變形補碼計算xy，同，同時指出結果是否溢出。時指出結果是否溢出。x=0.11011 y=0.11111 x補補00.11011，y補補 00.11111x-y溢出（上溢）溢出（上溢）x補補 00.11011 y補補 00.1111101.11010

15、2022年6月1日星期三176、已知、已知x和和y，用變形補碼計算，用變形補碼計算xy，同，同時指出結果是否溢出。時指出結果是否溢出。x=0.10111 y=0.11011 x補補00.10111，y補補 11.00101x-y補補 11.11100 ，未溢出未溢出 x-y = - 0.00100 x補補 00.10111 y補補 11.0010111.111002022年6月1日星期三186、已知、已知x和和y，用變形補碼計算，用變形補碼計算xy，同，同時指出結果是否溢出。時指出結果是否溢出。x=0.11011 y=0.10011 x補補00.11011，y補補 00.10011x-y補補溢

16、出（上溢）溢出（上溢）x補補 00.11011 y補補 00.1001101.011102022年6月1日星期三197、用原碼陣列乘法器計算、用原碼陣列乘法器計算xy。 x11011 y11111 機器內部補碼數(shù)據(jù)：機器內部補碼數(shù)據(jù)： x補補0 11011 y補補1 00001 符號位單獨運算：符號位單獨運算： 0 11 算前求補器輸出：算前求補器輸出： |x|=11011 |y|=11111 乘法陣列：乘法陣列：|x| |y| 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 算后求補器輸出：算后求補器輸出： xy補補 1 0010111011 xy = - 1101000101 1 1 0 1 1

17、1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 11 1 0 1 11 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 12022年6月1日星期三207、用原碼陣列乘法器計算、用原碼陣列乘法器計算xy。 x11111 y11011 機器內部補碼數(shù)據(jù)：機器內部補碼數(shù)據(jù)： x補補 1 00001 y補補 1 00101 符號位單獨考慮：符號位單獨考慮：1 10 算前求補器輸出：算前求補器輸出： |x|= 11111 |y|= 11011 乘法陣列：乘法陣列：|x| |y| 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 算后求補輸出：算后求補輸出： xy補補 0 11010

18、00101 xy = 0 1101000101 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 11 1 1 1 11 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 12022年6月1日星期三219-1、x=2-0110.100101，y=2-010(-0.011110)，求，求x+yl設尾數(shù)階碼均使用雙符號位的補碼表示設尾數(shù)階碼均使用雙符號位的補碼表示 x浮浮 11 101，00.100101 y浮浮 11 110，11.1000101)求階差并對階求階差并對階 EExEyEx補補Ey補補11 101 00 01011 111 修改后的修

19、改后的x表示為：表示為： x浮浮 11 110，0.010010(1)2)尾數(shù)求和尾數(shù)求和 MS= Mx+My =11 . 1101 00 (1)3)規(guī)格化處理規(guī)格化處理 執(zhí)行執(zhí)行2次左規(guī)處理，次左規(guī)處理， MS= 11 . 0 1 0 0 1 0 (0)， ES= 11 100 4)舍入處理舍入處理 5)判溢出判溢出故得最終結果為故得最終結果為 xy2100（0.101110）00. 0 1 0 0 1 0 11. 1 0 0 0 1 011 . 1 1 0 1 0 0 采用采用0舍舍1入法處理，則舍去入法處理，則舍去0階碼符號位為階碼符號位為11，不溢出，不溢出2022年6月1日星期三22

20、9-1、x=2-0110.100101，y=2-010(-0.011110)，求，求x-yl設尾數(shù)階碼均使用雙符號位的補碼表示設尾數(shù)階碼均使用雙符號位的補碼表示 x浮浮 11 101，00.100101 y浮浮 11 110，11.1000101)求階差并對階求階差并對階 EExEyEx補補Ey補補11 101 00 01011 111 修改后的修改后的x表示為：表示為： x浮浮 11 110，0.010010 (1)2)尾數(shù)求差尾數(shù)求差 MS= Mx My =00. 110000 (1)3)規(guī)格化處理規(guī)格化處理4)舍入處理舍入處理 5)判溢出判溢出故得最終結果為故得最終結果為 xy20100

21、. 11000100. 0 1 0 0 1 0 00. 0 1 1 1 1 000. 1 1 0 0 0 0采用采用0 0舍舍1 1入法處理，則進位，入法處理，則進位，MS= 00.110001階碼符號位為階碼符號位為11，不溢出，不溢出My補補Mx補補不需規(guī)格化不需規(guī)格化2022年6月1日星期三239-2、x=2-101(-0.010110)、y=2-1000.010110 ，求，求x+yl 設尾數(shù)階碼均使用雙符號位的補碼表示設尾數(shù)階碼均使用雙符號位的補碼表示 x浮浮11 011,11.101010 y浮浮11 100 ,00.0101101)求階差并對階求階差并對階 EExEyEx補補Ey

22、補補11 011 00 10011 111 即即E為為1，x的階碼小，應使的階碼小，應使Mx右移右移1位，位，Ex加加1， x浮浮 11 100，1.110101 （0）2)尾數(shù)求和尾數(shù)求和 MS= Mx+My =00. 0 0 1 0 1 1 （0）3)規(guī)格化處理規(guī)格化處理 執(zhí)行執(zhí)行2次左規(guī)處理，次左規(guī)處理， MS= 00 . 1 0 1 0 0 0 (0)，ES= 11 0104)舍入處理舍入處理 5)判溢出判溢出故得最終結果為故得最終結果為 xy2110（0.101100）11. 1 1 0 1 0 1 （0） 00. 0 1 0 1 1 000. 0 0 1 0 1 1 （0）采用采用

23、0舍舍1入法處理，則舍去入法處理，則舍去0階碼符號位為階碼符號位為11，不溢出，不溢出2022年6月1日星期三249-2、 x=2-101(-0.010110) y=2-1000.010110 ，求，求x-yl 設尾數(shù)階碼均使用雙符號位的補碼表示設尾數(shù)階碼均使用雙符號位的補碼表示 x浮浮11 011,11.101010 y浮浮11 100 ,00.0101101)求階差并對階求階差并對階 EExEyEx補補Ey補補11 011 00 10011 111 即即E為為1，x的階碼小，應使的階碼小，應使Mx右移右移1位，位，Ex加加1， x浮浮 11 100，1.110101 （0）2)尾數(shù)求差尾數(shù)

24、求差 MS= Mx-My =11. 0 1 1 1 1 1 （0）3)規(guī)格化處理規(guī)格化處理4)舍入處理舍入處理 5)判溢出判溢出故得最終結果為故得最終結果為 xy 2100（0.100001）11 . 1 1 0 1 0 1 11. 1 0 1 0 1 011. 0 1 1 1 1 1 My補補Mx補補采用采用0 0舍舍1 1入法處理，則舍去入法處理，則舍去0 0階碼符號位為階碼符號位為11，不溢出，不溢出不需規(guī)格化不需規(guī)格化第第3章章 內部存儲器內部存儲器2022年6月1日星期三261、設有一個具有設有一個具有20位地址和位地址和32位字長位字長的存儲器，問：的存儲器，問：該存儲器能存儲多少

25、字節(jié)的信息？該存儲器能存儲多少字節(jié)的信息？存儲容量存儲容量 = 存儲單元個數(shù)存儲單元個數(shù)每單元字節(jié)數(shù)每單元字節(jié)數(shù) = 22032 bit如果存儲器由如果存儲器由512K8位位SRAM芯片組成，需要多少片芯片組成，需要多少片?需要做存儲芯片的字位擴展；需要做存儲芯片的字位擴展；u位擴展：位擴展：4片片512K8位芯片構成位芯片構成512K32位的存儲組；位的存儲組；u字擴展：字擴展：2組組512K32位存儲組構成位存儲組構成1M32位的存儲器；位的存儲器；因此，共需要因此，共需要24=8片給定的片給定的SRAM芯片芯片需要多少位地址做芯片選擇？需要多少位地址做芯片選擇？字擴展的是字擴展的是2個存

26、儲組，因此，需個存儲組，因此，需1位地址做片選。位地址做片選。4 4M M字字節(jié)節(jié)8 83 32 2* *2 22 20 08 8片片4 4* *2 28 8* *5 51 12 2K K3 32 2* *1 10 02 24 4K K2022年6月1日星期三27l由由16K8位的芯片位的芯片字位擴展字位擴展構成構成64K32位的存儲器；位的存儲器；位擴展位擴展：由：由4片片16K8位的芯片構成位的芯片構成16K32位的存儲組；位的存儲組；字擴展字擴展：由：由4組組16K32位存儲組構成位存儲組構成64K32位的存儲器；位的存儲器；因此，因此，4個存儲組的片選信號應由最高兩位地址個存儲組的片選

27、信號應由最高兩位地址A14和和A15產(chǎn)生；產(chǎn)生；該存儲器的組成邏輯框圖如下：該存儲器的組成邏輯框圖如下：3、用、用16K8位的位的DRAM芯片構成芯片構成64K32位存儲器，問：位存儲器，問：（1）畫出該存儲器的組成邏輯框圖。）畫出該存儲器的組成邏輯框圖。2:4譯碼器A14A15CS3CS2CS0CS1A13A0D0D7/WE2022年6月1日星期三28位擴展位擴展16K8RAMA13A0D7D0/WE/CS16K8RAMA13A0D7D0/WE/CSA13A0D7D0D15D816K8RAMA13A0D7 D0/CS/WE16K8RAMA13A0D7 D0/CS/WED23D16D31D23

28、/CS/WE2022年6月1日星期三29字擴展字擴展16K32存儲組存儲組A13A0D31D0/WE/CS16K32存儲組存儲組A13A0D31D0/WE/CS16K32存儲組存儲組A13A0D31D0/WE/CS16K32存儲組存儲組A13A0D31 D0/CS/WE/WEA13A0D31D074LS139/G1B A/Y0/Y1/Y2/Y3/MREQA14A152022年6月1日星期三303、用、用16K8的的DRAM芯片構成芯片構成64K32位存儲器，要求：位存儲器，要求：(2)設儲器讀設儲器讀/寫周期為寫周期為0.5s，CPU在在1s內至少要訪問一次。試內至少要訪問一次。試問采用哪種方

29、式比較合理？兩次刷新的最大時間間隔是多少？對問采用哪種方式比較合理？兩次刷新的最大時間間隔是多少？對全部存儲單元刷新一遍所需的實際刷新時間是多少？全部存儲單元刷新一遍所需的實際刷新時間是多少？ l假定假定16K8位的位的DRAM芯片的存儲矩陣是芯片的存儲矩陣是128行行(1288)列列；若集中刷新，則有若集中刷新，則有128行行0.5us=64us的死時間，不合適；的死時間，不合適；若分散刷新，則每訪存一次需要若分散刷新，則每訪存一次需要1us，也不合適；，也不合適；所以，應采用異步式刷新方式。所以，應采用異步式刷新方式。l假定假定DRAM芯片的芯片的刷新周期為刷新周期為2ms兩行的刷新間隔為

30、：兩行的刷新間隔為：2ms/128 = 0.015625ms=15.625usl若取若取15.5us作為實際的刷新間隔作為實際的刷新間隔刷新存儲體一遍實際所用時間為：刷新存儲體一遍實際所用時間為： 15.5us1281984us = 1.984ms2022年6月1日星期三316、用用32K8位的位的EPROM芯片組成芯片組成128K16位的只讀存儲器，試問：位的只讀存儲器，試問：數(shù)據(jù)寄存器多少位？數(shù)據(jù)寄存器多少位？ 因為系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線為因為系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線為16位，所以數(shù)據(jù)寄存器位，所以數(shù)據(jù)寄存器16位位地址寄存器多少位？地址寄存器多少位？ 因為存儲器容量為因為存儲器容量為128K，需系統(tǒng)地址總線，

31、需系統(tǒng)地址總線17位，位， 所以地址寄存器所以地址寄存器17位位共需多少個共需多少個EPROM芯片？芯片？ 所需芯片總數(shù)：所需芯片總數(shù)： (128K/32K)(16/8)=8片片2022年6月1日星期三326、用、用32K8位的位的EPROM芯片組成芯片組成128K16位的只讀存儲器，位的只讀存儲器，試問：（試問：（4）畫出此存儲器的組成框圖。）畫出此存儲器的組成框圖。CPU地址地址寄存器寄存器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寄存器寄存器32K832K832K832K832K832K832K832K8CS3CS2CS1CS02:4譯碼器譯碼器CS0CS3A16A152022年6月1日星期三338、設存儲器容量為設存儲

32、器容量為64M，字長為，字長為64位，模塊數(shù)位，模塊數(shù)m=8，分，分別用順序和交叉方式進行組織。存儲周期別用順序和交叉方式進行組織。存儲周期T=100ns，數(shù)，數(shù)據(jù)總線寬度為據(jù)總線寬度為64位，總線傳送周期位，總線傳送周期=50ns。求：順序存。求：順序存儲器和交叉存儲器的帶寬各是多少？儲器和交叉存儲器的帶寬各是多少？l順序存儲器和交叉存儲器連續(xù)讀出順序存儲器和交叉存儲器連續(xù)讀出m=8個字的數(shù)據(jù)信息量為：個字的數(shù)據(jù)信息量為：q = 864 = 512位位l順序存儲器所需要的時間為順序存儲器所需要的時間為t1 = mT =8100ns =800ns =810-7sl故順序存儲器的帶寬為故順序存儲

33、器的帶寬為W1= q/t1 = 512/(810-7) = 64107bit/sl交叉存儲器所需要的時間為交叉存儲器所需要的時間為t2 = T+ (m-1)= 100ns + (8-1)50ns = 450ns =4.510-7sl故交叉存儲器的帶寬為故交叉存儲器的帶寬為W1= q/t2 = 512/(4.510-7) = 113.8107bit/s2022年6月1日星期三349、CPU執(zhí)行一段程序時，執(zhí)行一段程序時，cache完成存取的次數(shù)為完成存取的次數(shù)為2420次，主存完成存取的次數(shù)為次，主存完成存取的次數(shù)為80次，次，已知已知cache存儲周期為存儲周期為40ns，主存存儲周期為，主存

34、存儲周期為240ns，求求cache/主存系統(tǒng)的效率和平均訪問時間。主存系統(tǒng)的效率和平均訪問時間。l命中率命中率h = Nc/(Nc+Nm) = 2420/(2420+80) = 0.968l主存與主存與Cache的速度倍率的速度倍率r = tm/tc = 240ns/40ns = 6l訪問效率訪問效率e = 1/(r+(1-r)h) = 1/(6+(1-6)0.968) = 86.2%l平均訪問時間平均訪問時間ta = tc/e = 40ns/0.862 = 46.4ns2022年6月1日星期三3510、已知、已知cache存儲周期存儲周期40ns，主存存儲周期，主存存儲周期200ns，ca

35、che/主存系統(tǒng)平均訪問時間為主存系統(tǒng)平均訪問時間為50ns，求，求cache的命中率是多少？的命中率是多少？l由由 ta = htc+(1-h)tm，可得，可得%75.932004020050mcmatttth2022年6月1日星期三3613、一個組相聯(lián)、一個組相聯(lián)Cache由由64個行組成，每組個行組成，每組4行。行。主存儲器包含主存儲器包含4K個塊，每塊個塊，每塊128字。請表示內存地字。請表示內存地址的格式。址的格式。l組相聯(lián)映射下的主存地址格式如下：組相聯(lián)映射下的主存地址格式如下：l每塊每塊128字，假定主存以字進行組織字，假定主存以字進行組織塊內的字地址需要塊內的字地址需要7位位l

36、Cache由由64個行組成，每組個行組成，每組4行行Cache中共包含中共包含16組，需組，需4位組號位組號l主存包含主存包含4K個塊個塊主存塊號為主存塊號為12位位主存標記位有主存標記位有124=8位位主存標記主存標記組號組號塊內地址塊內地址7 7位位4 4位位8 8位位2022年6月1日星期三3714、某機主存容量、某機主存容量1MB，字長，字長1B，塊大小，塊大小16B，Cache容量容量64KB，若，若Cache采用直接映射方采用直接映射方式，請給出式，請給出2個不同標記的內存地址，它們映個不同標記的內存地址，它們映射到同一個射到同一個Cache行。行。l直接映射下的主存地址格式如下：

37、直接映射下的主存地址格式如下： 每塊每塊16B 塊內的字節(jié)地址需要塊內的字節(jié)地址需要4位位 Cache容量容量64KB 共包含共包含4K行行 Cache塊號塊號12位位 主存容量主存容量1MB 主存地址主存地址20位位 主存標記位主存標記位20124 = 4位位l兩個滿足題目要求的主存地址：兩個滿足題目要求的主存地址：0000 1001 0000 1110 0000 0001 1001 0000 1110 0000主存標記主存標記CacheCache行號行號塊內地址塊內地址4 4位位1212位位4 4位位2022年6月1日星期三3815、假設主存容量、假設主存容量16M32位，位，Cache容

38、量容量64K32位，主存與位，主存與Cache之間以每塊之間以每塊432位大位大小傳送數(shù)據(jù)，請確定直接映射方式的有關參數(shù)，并小傳送數(shù)據(jù)，請確定直接映射方式的有關參數(shù)，并畫出主存地址格式。畫出主存地址格式。l直接映射下的主存地址格式如下：直接映射下的主存地址格式如下：每塊每塊4字字 塊內的字地址需要塊內的字地址需要2位位Cache容量容量64KB Cache共包含共包含16K個塊個塊 Cache塊號需要塊號需要14位位主存主存16MB 主存地址為主存地址為24位位 主存標記位有主存標記位有24142 = 8位位主存標記主存標記CacheCache行號行號塊內地址塊內地址2 2位位1414位位8

39、8位位第第4章章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)2022年6月1日星期三403、指令格式結構如下所示，試分析指令指令格式結構如下所示，試分析指令格式與尋址方式特點。格式與尋址方式特點。 單字長雙地址碼的單字長雙地址碼的RR型指令。型指令。 操作碼操作碼6位，系統(tǒng)中可以包含位，系統(tǒng)中可以包含64種不同的指令。種不同的指令。 源、目的操作數(shù)只能采用寄存器尋址方式。源、目的操作數(shù)只能采用寄存器尋址方式。 OP目標寄存器目標寄存器源寄存器源寄存器15 109 8 7 43 02022年6月1日星期三414、指令格式結構如下所示，試分析指令格式、指令格式結構如下所示，試分析指令格式與尋址方式特點。與尋址方式特點。 雙

40、字長雙地址碼的雙字長雙地址碼的RS型指令。型指令。 操作碼操作碼6位，系統(tǒng)中可以包含位，系統(tǒng)中可以包含64種不同的指令。種不同的指令。 源操作數(shù)只能使用寄存器尋址方式；源操作數(shù)只能使用寄存器尋址方式；目的操作數(shù)只能使用變址尋址方式；目的操作數(shù)只能使用變址尋址方式； 其中，變址寄存器可使用其中，變址寄存器可使用16個通用寄存器之一；個通用寄存器之一；偏移量為偏移量為16位。位。 OP源寄存器源寄存器變址寄存器變址寄存器15 109 87 43 0偏移量（偏移量（16位）位）2022年6月1日星期三426、一種單地址指令格式如下所示，、一種單地址指令格式如下所示，R變址寄存器，變址寄存器，R1基址

41、寄存器，基址寄存器，PC程序計數(shù)器，填寫下列尋址方式。程序計數(shù)器，填寫下列尋址方式。尋址方式尋址方式IX有效地址有效地址E直接尋址直接尋址000E=D相對尋址相對尋址001E=(PC)+D變址尋址變址尋址010E=(R)+D基址尋址基址尋址011E=(R1)+D間接尋址間接尋址100E=(D)基址間接尋址基址間接尋址111E=(R1)+D)操作碼操作碼OPOP間接特征間接特征I I尋址模式尋址模式X X形式地址形式地址D D2022年6月1日星期三437、某計算機字長為某計算機字長為16位位，主存容量為，主存容量為64K字，采用字，采用單字長單地址指令，共有單字長單地址指令，共有40條指令，試

42、采用直接、條指令，試采用直接、立即、變址、相對四種尋址方式設計指令格式。立即、變址、相對四種尋址方式設計指令格式。l40條指令條指令 指令操作碼需指令操作碼需6位，位，26=64，其中，其中24種編碼未用；種編碼未用；l4種尋址方式種尋址方式 尋址特征需尋址特征需2位；位；l單字長單地址指令單字長單地址指令 剩余剩余8位作為形式地址；位作為形式地址；l設計方案：設計方案： 方案方案1：專用變址寄存器；：專用變址寄存器； 方案方案2：通用寄存器作為變址寄存器；：通用寄存器作為變址寄存器；尋址方式尋址方式尋址特征尋址特征X 有效地址有效地址E直接尋址方式直接尋址方式00E=D立即尋址方式立即尋址方

43、式01D=Imm變址尋址方式變址尋址方式10E=(R)+D相對尋址方式相對尋址方式11E=(PC)+D2022年6月1日星期三44方案方案1：專用變址寄存器：專用變址寄存器l 各操作數(shù)的尋址范圍：各操作數(shù)的尋址范圍： 立即數(shù)尋址方式立即數(shù)尋址方式u指令中的立即數(shù)不能超過指令中的立即數(shù)不能超過8位；位； 直接尋址方式直接尋址方式u直接地址為直接地址為8位，可直接尋址范圍為位，可直接尋址范圍為28個單元；個單元； 變址尋址方式變址尋址方式uE=（R）+D，其中變址寄存器，其中變址寄存器R為為16位；位；u由于主存容量由于主存容量64K字，可直接尋址整個主存空間；字，可直接尋址整個主存空間； 相對尋

44、址方式相對尋址方式uE=（PC）+D，可直接尋址整個主存空間；，可直接尋址整個主存空間； 6 6位位OPOP2 2位位尋址特征尋址特征8 8位位形式地址形式地址2022年6月1日星期三45方案方案2：通用寄存器作為變址寄存器：通用寄存器作為變址寄存器l各操作數(shù)的尋址范圍：各操作數(shù)的尋址范圍：立即數(shù)尋址方式立即數(shù)尋址方式u指令中的立即數(shù)不能超過指令中的立即數(shù)不能超過4位；位；直接尋址方式直接尋址方式u直接地址為直接地址為4位，可直接尋址范圍為位，可直接尋址范圍為24個單元；個單元；變址尋址方式變址尋址方式uE=（R）+D，其中變址寄存器，其中變址寄存器R為為16位；位；u由于主存容量由于主存容量

45、64K字，可直接尋址整個主存空間；字，可直接尋址整個主存空間；相對尋址方式相對尋址方式uE=（PC）+D，可直接尋址整個主存空間；，可直接尋址整個主存空間； 6 6位位OPOP2 2位位尋址特征尋址特征4 4位位寄存器寄存器4 4位位形式地址形式地址2022年6月1日星期三469、某機字長為、某機字長為32位，位，CPU中有中有16個個32位通用寄存器，設計位通用寄存器，設計一種能容納一種能容納64種操作的指令系統(tǒng)，如果采用通用寄存器作種操作的指令系統(tǒng)，如果采用通用寄存器作為基址寄存器，則為基址寄存器，則RS型指令的最大存儲空間是多少？型指令的最大存儲空間是多少？l指令格式指令格式64種操作種

46、操作 操作碼操作碼占占6位；位；16個通用寄存器個通用寄存器一個操作數(shù)和基址寄存器各一個操作數(shù)和基址寄存器各占占4位；位；單字長指令單字長指令 形式地址占形式地址占32 6 4 4 = 18位；位；l操作數(shù)操作數(shù)S的地址的地址E （R1）D，其中，其中R1為為32位的；位的；若系統(tǒng)的地址總線若系統(tǒng)的地址總線32位，則可尋址整個主存；位，則可尋址整個主存；若系統(tǒng)的地址總線若系統(tǒng)的地址總線32位，則可尋址的最大存儲空間為位，則可尋址的最大存儲空間為232+218操作碼操作碼OP操作數(shù)操作數(shù)R基址寄存器基址寄存器R1形式地址形式地址D6位位4位位4位位18位位2022年6月1日星期三4712、根據(jù)操

47、作數(shù)所在的位置，指出其尋址方式。、根據(jù)操作數(shù)所在的位置，指出其尋址方式。1. 操作數(shù)在寄存器中，為操作數(shù)在寄存器中，為 尋址方式；尋址方式；2. 操作地址在寄存器，為操作地址在寄存器，為 尋址方式；尋址方式；3. 操作數(shù)在指令中，為操作數(shù)在指令中，為 尋址方式；尋址方式；4. 操作數(shù)地址（主存）在指令中，為操作數(shù)地址（主存）在指令中，為 方方式；式；5. 操作數(shù)的地址為某一寄存器內容與位移量之和，操作數(shù)的地址為某一寄存器內容與位移量之和，可以是可以是 尋址方式；尋址方式；寄存器寄存器寄存器間接寄存器間接立即數(shù)立即數(shù)直接尋址直接尋址相對，基址，變址相對，基址，變址第第5章章 中央處理機中央處理機

48、2022年6月1日星期三492、參見、參見圖圖5.15的數(shù)據(jù)通路，畫出存數(shù)指令的數(shù)據(jù)通路，畫出存數(shù)指令STO R1，（，（R2）的指令周期流程圖，其含義是將寄存器的指令周期流程圖，其含義是將寄存器R1的內容傳送至的內容傳送至（R2）為地址的數(shù)存單元中。）為地址的數(shù)存單元中。指令指令地址地址指令指令數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2022年6月1日星期三50存數(shù)指令存數(shù)指令STO R1，（，（R2）(PC)AR(M)DR(DR)IR譯碼譯碼(R2)AR(R1)DRDRMM取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期PC0GARiR/W=1DR0GIRiR20GARiR10GDRiR/W=02022年

49、6月1日星期三513、參見圖、參見圖5.15的數(shù)據(jù)通路，畫出取數(shù)指令的數(shù)據(jù)通路，畫出取數(shù)指令LAD (R3)，R0的指令周期流程圖，其含義是將的指令周期流程圖，其含義是將(R3)為地址數(shù)存為地址數(shù)存單元的內容取至寄存器單元的內容取至寄存器R0中。中。指令指令地址地址指令指令數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址地址2022年6月1日星期三52取數(shù)指令取數(shù)指令LAD (R3)，R0的指令周期的指令周期(PC)AR(M)DR(DR)IR譯碼譯碼(R3)ARMMDRDRR0取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期PC0GARiR/W=1DR0GIRiR30GARiDR0GR0iR/W=12022年6月1日星期三536、假設某

50、機器有、假設某機器有80條指令，平均每條指令有條指令，平均每條指令有4條微條微指令組成，其中有一條取值微指令是所有指令公指令組成，其中有一條取值微指令是所有指令公用的，已知微指令長度為用的，已知微指令長度為32位，請估算控制存儲位，請估算控制存儲器容量。器容量。l微指令的數(shù)目為微指令的數(shù)目為803+1=241條；條；l微指令字長為微指令字長為32/8=4字節(jié)；字節(jié)；l故，控制存儲器的容量為故，控制存儲器的容量為 2414=964字節(jié)字節(jié)該容量為控制存儲器的最小容量。該容量為控制存儲器的最小容量。2022年6月1日星期三548、某機有、某機有8條指令條指令I1I8，每條，每條微指令所包含的微命令

51、控制微指令所包含的微命令控制信號如下表所示。信號如下表所示。aj分別分別對應對應10種不同性質的微命令種不同性質的微命令信號。假設一條微指令的控信號。假設一條微指令的控制字段僅為制字段僅為8位，請安排微指位，請安排微指令的控制字段格式。令的控制字段格式。l微命令數(shù)目微命令數(shù)目操作控制字段，則采操作控制字段，則采用用混合表示法設計混合表示法設計微指令；微指令；l從左表中選擇互斥的微操作；從左表中選擇互斥的微操作；a命令：與命令：與i互斥互斥b命令：與命令：與f、g、i、j互斥互斥c命令：與命令：與f、j互斥互斥d命令：與命令：與i、j互斥互斥e命令：與命令：與f、h、j互斥互斥f命令：與命令：與

52、b、c、e、h、i、j互斥互斥g命令：與命令：與b、h、j互斥互斥h命令：與命令：與e、f、g、i互斥互斥i命令：與命令：與a、b、d、f、h、j互斥互斥j命令：與命令：與b、c、d、e、f、g、i互斥互斥l互斥信號組互斥信號組e、f、h和和b、i、je、f、h和和d、i、je、f、h和和b、g、ji、f、h和和b、g、j微指微指令令a b c d efg hijI1 I2 I3I4I5I6I7 I8 2022年6月1日星期三558、某機有、某機有8條指令條指令I1I8，每條微指令所包含的微命令控制信號，每條微指令所包含的微命令控制信號如下表所示。如下表所示。aj分別對應分別對應10種不同性質

53、的微命令信號。假種不同性質的微命令信號。假設一條微指令的控制字段僅為設一條微指令的控制字段僅為8位，請安排微指令的控制字位，請安排微指令的控制字段格式。段格式。l解法解法1：將將 （d, i, j）和（）和（e, f, h）分別組成兩）分別組成兩個小組，進行譯碼，可得六個微命令個小組，進行譯碼，可得六個微命令信號，剩下的信號，剩下的a, b, c, g四個微命令信四個微命令信號可進行直接控制，其整個控制字段號可進行直接控制，其整個控制字段組成如右圖所示：組成如右圖所示：l解法解法2：將將 （b, i, j）和（）和（e, f, h）分別組成兩）分別組成兩個小組，進行譯碼，可得六個微命令個小組，

54、進行譯碼，可得六個微命令信號，剩下的信號，剩下的a, b, c, g四個微命令信四個微命令信號可進行直接控制，其整個控制字段號可進行直接控制，其整個控制字段組成如右圖所示：組成如右圖所示： a b c g 01d 01e 10 i 10 f 11 j 11 h * * * * * * * *注意：注意：00表示兩位表示兩位均不產(chǎn)生控制信號均不產(chǎn)生控制信號2022年6月1日星期三5612、今有今有4級流水線，分別完成取指、指令譯碼并取數(shù)、級流水線，分別完成取指、指令譯碼并取數(shù)、運算、送結果四步操作。假設完成各步操作的時間運算、送結果四步操作。假設完成各步操作的時間依次為依次為100ns、100n

55、s、80ns、50ns。請問：。請問：流水線的操作周期應設計為多少？流水線的操作周期應設計為多少？流水線的操作周期應按各步操作的最大時間來考慮，即流流水線的操作周期應按各步操作的最大時間來考慮，即流水線時鐘周期性水線時鐘周期性 ，故取，故取100ns。若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關，硬件上不采取措施，那么第若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關，硬件上不采取措施，那么第2條指令要推遲多少時間進行？條指令要推遲多少時間進行？遇到數(shù)據(jù)相關時，就推遲第遇到數(shù)據(jù)相關時，就推遲第2條指令的執(zhí)行；條指令的執(zhí)行；要推遲到所需讀取的數(shù)據(jù)已產(chǎn)生為止，因此至少需要延遲要推遲到所需讀取的數(shù)據(jù)已產(chǎn)生為止，因此至少需要延遲2個時鐘周期

56、。個時鐘周期。如果再硬件設計上加以改進，至少需推遲多少時間？如果再硬件設計上加以改進，至少需推遲多少時間？如采用專用通路技術，應保證取數(shù)之前結果已計算出來；如采用專用通路技術，應保證取數(shù)之前結果已計算出來；因此，至少需要延遲因此，至少需要延遲1個時鐘周期。個時鐘周期。流水時空圖流水時空圖2022年6月1日星期三57流水時空圖流水時空圖取指取指 譯碼并譯碼并取數(shù)取數(shù)運算運算送結果送結果取指取指譯碼并譯碼并取數(shù)取數(shù)運算運算送結果送結果取指取指譯碼并譯碼并取數(shù)取數(shù)運算運算送結果送結果取指取指譯碼并譯碼并取數(shù)取數(shù)運算運算送結果送結果可能出現(xiàn)的可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)相關數(shù)據(jù)相關2022年6月1日星期三5813、

57、指令流水線有取指（、指令流水線有取指（IF）、譯碼（）、譯碼（ID）、執(zhí)行）、執(zhí)行（EX）、訪存（）、訪存（MEM）、寫回寄存器堆（）、寫回寄存器堆（WB）五個過程段，共有五個過程段，共有20條指令連續(xù)輸入此流水線。條指令連續(xù)輸入此流水線。 畫出流水處理的時空圖，假設時鐘周期為畫出流水處理的時空圖，假設時鐘周期為100ns。2022年6月1日星期三5913、指令流水線有取指（、指令流水線有取指（IF）、譯碼（）、譯碼（ID）、執(zhí)行）、執(zhí)行（EX）、訪存（）、訪存（MEM）、寫回寄存器堆（）、寫回寄存器堆（WB）五個過程段，共有五個過程段，共有20條指令連續(xù)輸入此流水線。條指令連續(xù)輸入此流水線。

58、 求流水線的實際吞吐量（單位時間內執(zhí)行完畢的指令條求流水線的實際吞吐量（單位時間內執(zhí)行完畢的指令條數(shù)）。數(shù)）。 求流水線的加速比。求流水線的加速比。條條/ /秒秒1 10 0* *8 8. .3 33 31 10 0* *1 10 00 0* *1 1) )2 20 0( (5 52 20 01 1) )n n( (K Kn nH H6 69 94 4. .1 17 71 15 52 20 05 5* *2 20 01 1) )n n( (K Kn nK KT Tp pT Ts sS S2022年6月1日星期三6016、判斷以下三組指令中各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關？、判斷以下三組指令中各存在哪種

59、類型的數(shù)據(jù)相關？ I1 LDA R1 , A ;M(A)R1I2 ADD R2 , R1 ;(R2)+(R1)R2 I3 ADD R3 , R4 ;(R3)+(R4)R3I4 MUL R4 , R5 ;(R4) (R5) R4 I5 LDA R6 , B ;M(B)R6I6 MUL R6 , R7 ;(R6) (R7) R6寫后讀相關寫后讀相關讀后寫相關讀后寫相關寫后寫相關寫后寫相關第第6章章 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)2022年6月1日星期三621、比較單總線、雙總線、三總線結構的性能特點。、比較單總線、雙總線、三總線結構的性能特點。l單總線結構單總線結構使用一條使用一條系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線來連接來連接C

60、PU、內存和、內存和I/O設備；設備；特點：簡單易行；系統(tǒng)總線負載重；特點：簡單易行；系統(tǒng)總線負載重； l雙總線結構雙總線結構在在CPU和主存之間專門設置了一組高速的存儲總線；和主存之間專門設置了一組高速的存儲總線；保持單總線結構優(yōu)點的基礎上，保持單總線結構優(yōu)點的基礎上，減輕了減輕了CPU的負擔的負擔； l三總線結構三總線結構在各外部設備與通道之間增加一組在各外部設備與通道之間增加一組I/O總線?？偩€。提高了提高了CPU工作效率，同時也最大限度的提高外設的工作工作效率，同時也最大限度的提高外設的工作速度；但硬件成本進一步增加。速度；但硬件成本進一步增加。2022年6月1日星期三638、同步通信